Источники энергии: от ископаемого топлива к возобновляемым источникам

Энергия окружает нас повсюду — в наших телах, в пище, в технологиях. Она лежит в основе функционирования человеческой цивилизации. Большинство энергии сегодня получают из ископаемого топлива, ядерного топлива или возобновляемых источников, которые затем преобразуют в механическую, электрическую и другие формы. Понимание энергии — ключ к научному и техническому прогрессу.

В этой статье: определение, значение, виды, формы, единицы измерения, преобразование и закон сохранения энергии.

Что такое энергия?

Энергия — способность физической системы совершать работу. Система обладает энергией, если она может выполнить работу. Энергия передается или преобразуется всякий раз, когда совершается работа. Однако наличие энергии в системе не гарантирует её доступность для работы.

В физике энергия — количественная свойство, которое должно быть передано телу или системе для совершения работы или нагрева. Энергия — сохраняемая величина, что сформулировано в законе сохранения энергии: энергия может менять форму, но не может быть создана или уничтожена.

Все виды энергии делятся на две формы: кинетическую (энергию движущегося объекта) и потенциальную (энергию, запасенную за счет положения объекта в силовом поле). Единица измерения — джоуль (Дж).

Ключевые характеристики энергии:

• скалярная величина;
• абстрактна, не всегда воспринимается напрямую;
• приобретает смысл через расчёты;
• центральная концепция в науке.

Использование и значение энергии

Три основные сферы потребления энергии человечеством: бытовое, коммерческое и транспортное.

Бытовое потребление

Самый распространенный способ использования: телевидение, отопление, освещение, душ, стирка, работа за компьютером, бытовая техника, готовка. Около 40% всего потребляемой в мире энергии уходит на бытовые нужды. При этом именно здесь происходит больше всего потерь из-за недостаточной информированности людей о способах экономии.

Коммерческое потребление

Включает отопление, вентиляцию, освещение коммерческих зданий, энергопотребление организаций и бизнеса. По структуре похоже на промышленное, за исключением личных нужд.

Транспортное потребление

Полностью зависит от энергии: более 70% нефти расходуется на транспорт. Сюда входят легковые авто, грузовики, автобусы, мотоциклы, самолеты, корабли, поезда, трубопроводы.

Ключевое значение энергии для общества:

• Обеспечивает связь, транспорт, компьютеры, медицинское оборудование.
• Поддерживает экономический и социальный прогресс, качество жизни.
• Надежная и доступная энергия позволяет создавать продукты и услуги, продлевающие и обогащающие жизнь.
• Энергия спасает и улучшает жизни.
• Стимулирует промышленность, современное сельское хозяйство, торговлю, транспорт.
• Снижает бедность, создает лучшие условия жизни.

Формы и типы энергии

Все существующие формы энергии относятся либо к кинетической, либо к потенциальной. Кинетическая — энергия движения, потенциальная — энергия положения (но не просто «запасенная энергия»).

Кинетическая энергия

• Механическая энергия — движение макроскопических систем: машины, ветровая энергия, волновая энергия, звуковая энергия.
• Тепловая энергия — движение частиц материи: геотермальная энергия.
• Электрическая энергия — движение зарядов: бытовый ток, молния.
• Электромагнитное излучение — возмущение электрических и магнитных полей (классическая физика) или движение фотонов (квантовая физика): радиоволны, микроволны, инфракрасное, свет, ультрафиолет, рентген, гамма-излучение.

Солнечная энергия

Потенциальная энергия

• Гравитационная потенциальная энергия: американские горки, водяное колесо, гидроэлектростанции.
• Электромагнитная потенциальная энергия: электрическая, магнитная, химическая, эластичная потенциальная энергия.
• Сильная ядерная потенциальная энергия: ядерная энергетика, ядерное оружие.
• Слабая ядерная потенциальная энергия.

Радиоактивный распад

Тепло, кинетическая/механическая энергия, свет, потенциальная энергия, электрическая энергия — основные формы проявления энергии.

Тепло (термальная энергия) — движение атомов или молекул, энергия, связанная с температурой.

Кинетическая энергия — энергия движения. Пример: качающийся маятник.

Потенциальная энергия — энергия положения. Пример: мяч на столе относительно пола.

Механическая энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий тела.

Световая энергия — поток фотонов.

Электрическая энергия — движение заряженных частиц (протонов, электронов, ионов).

Магнитная энергия — энергия магнитного поля.

Химическая энергия — выделяется при химических реакциях, разрыве или образовании связей.

Ядерная энергия — взаимодействие протонов и нейтронов в ядре. Пример: энергия деления и синтеза.

Единицы измерения энергии

СИ — джоуль (Дж) или ньютон-метр (Н·м). Назван в честь Джеймса Прескотта Джоула. Единица мощности (энергии в единицу времени) — ватт (Вт) = 1 Дж/с.

Преобразование энергии

Существует множество форм преобразования с разной эффективностью. Устройства, преобразующие энергию, называются преобразователями (трансдусерами). Примеры: батарея (химическая → электрическая), плотина (гравитационная потенциальная → кинетическая воды → вращение турбины → электрическая).

Примеры: генерация электроэнергии на паровой турбине, подъем груза краном (электрическая → механическая → гравитационная потенциальная). При падении груза потенциальная превращается в кинетическую, а при ударе — в тепло.

Солнце преобразует ядерную потенциальную энергию в другие формы. Общая масса Солнца не уменьшается, пока энергия остается внутри, но когда она уходит в пространство (преимущественно как излучение), масса снижается.

Видео о преобразовании энергии:

Эксперименты показывают пределы эффективности преобразования тепла в работу в циклическом процессе (тепловая машина). Теорема Карно и второй закон термодинамики это объясняют. Некоторые преобразования очень эффективны, но энтропия определяет направление превращений энергии.

Закон сохранения энергии

Энергия не может быть создана или уничтожена. Первый закон термодинамики: энергия замкнутой системы постоянна, если только она не передается через работу или тепло. Никакая энергия не теряется при передаче. Сумма затраченной энергии равна сумме извлеченной плюс изменение внутренней энергии системы.

Пример: столкновение двух бильярдных шаров. Они могут остановиться, а их кинетическая энергия превратится в звук и немного тепла в точке контакта. У движущихся шаров есть кинетическая энергия, а потенциальная есть всегда, пока они на столе над полом.

Частый пример — обратимое изотермическое расширение идеального газа. Второй закон термодинамики: система, совершающая работу, всегда теряет часть энергии как бесполезное тепло. Это ограничивает количество тепловой энергии, способной совершить работу в цикле. Механическая и другие формы могут превращаться в тепловую без таких ограничений. Полная энергия системы вычисляется суммированием всех её форм.

Заключение

Энергия — способность физической системы совершать работу. Она передается или преобразуется при совершении работы. Мы рассмотрели определение, значение, примеры, типы, формы, единицы измерения, преобразование и закон сохранения энергии.

Надеемся, статья была полезна — делитесь с другими!